Диссертация (1144366), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При сдавливании ткани отмечено уменьшение рассеяния, а также содержания гемоглобина и насыщение ткани кислородом. Авторы также отмечают эффект гиперемии в течение повторяющихся циклов. Сделано заключение,что наведенные компрессией значительные изменения в физиологических характеристиках ткани могут быть использованы при оптической визуализацииткани легких.Влияние давления волоконно-оптического датчика на спектральные измерения диффузно отраженного света от слизистой внутренней стороны нижней губы человека in vivo исследовалось авторами работы [11]. Объект зондировался линейно поляризованным светом в пределах 100-200 мкм глубиныприповерхностного слоя.
Измерялись разностный поляризационный спектр19(при средней глубине зондирования 100 мкм) и кросс-поляризованный компонент (средняя глубина зондирования 200 мкм). По данным измерения рассчитывались несколько параметров, включая содержание гемоглобина, насыщениекрови кислородом, диаметры кровеносных сосудов и общую интенсивностьрассеяния. Получено, что при наложении компрессии значительно увеличивается разностный сигнал и значительно уменьшается кросс-поляризованныйкомпонент. Отмечено уменьшение содержания гемоглобина и степени оксигенации гемоглобина при наложении давления.Авторы работ [28 - 30] предположили, что вызванные давлением спектральные изменения сильно зависят от местоположения участка и того, какимиявляются нижележащие ткани, что дает дополнительную информацию дляулучшения чувствительности и специфичности классификации мягких тканей.Кроме того, то же самое контактное давление вызывает большие изменения вспектрах ближнего инфракрасного спектрального диапазона, чем в спектральном диапазоне от 650 до 900 нм.Об аналогичных выводах сообщалось в исследовании уровня глюкозы вкрови с помощью оптической когерентной томографии.[31].
Приложение датчика с давлением ниже одного кПа приводило к повышению точности и воспроизводимости измерений по сравнению с более высоким давлением, превышающим десять кПа.В настоящее время внешняя механическая компрессия используется какметод, позволяющий увеличить разрешение и контраст изображения при оптической когерентной томографии биотканей, [6, 31 - 32].
Так, в работе [6] исследовалась эффективность механической компрессии биотканей для улучшениядифференциации патологических изменений структуры биологической тканипри использовании метода оптической когерентной томографии. Были проведены эксперименты по влиянию компрессии на изображения прямой кишки ex vivo и показана эффективность компрессии при дифференциации воспаления икарциномы прямой кишки при диагностике методом ОКТ ex vivo. РегистрацияОКТ-изображений в двух ортогональных поляризациях позволяет получить до20полнительную информацию о структуре исследуемой ткани.
В работе [32] показано, что механическая компрессия увеличивает контраст перехода эпидермисдерма и уменьшает контраст перехода stratum corneum-эпидермис, что, по мнению авторов, связано со структурными и функциональными изменениями вткани, вызванными компрессией.Метод компрессионного оптического просветления биотканей может бытьреализован в приборном варианте, в частности, разработано устройство дляпросветления биотканей (tissue optical clearing device, TOCD). [7, 33-35].
Вышебыло отмечено, что локализованная компрессия является эффективным методомувеличения разрешения и контраста структур, лежащих под тканями, подверженными компрессии [7]. На рис. 1.3 показана структура мир, применяемаяобычно для оценки разрешающей способности оптических приборов, лежащаяпод подверженной компрессии кожей свиньи. Метод реализован в приборе,схемы двух вариантов которых приведены на рис.
1.4.Прибор для оптического просветления ткани (TOCD) содержал ансамблимеханических штырей или линз, которые механически воздействовали на биоткань в определенных областях. Первая схема обеспечивала транспорт воды икрови из зон воздействия штырей, обеспечивая зоны дегидратации уменьшенной толщины с возможно измененными оптическими свойствами.21Рис. 1.3. Изображение мир, имеющих в поле зрения одну или три полосы [7]Вторая схема позволяла увеличивать глубину проникновения света в биотканьблагодаря системе микролинз. Обе схемы приведены на рис. 1.4Рис. 1.4.
Упрощенные схемы применения первого (а) и второго (б) прототипов TOCDдля кожной поверхности [33]В приборе [35] на основе волоконно-оптического датчика (diaphragmbased fiber-optic interferometric pressure sensor, DFPI) давление используется длястабилизации спектров диффузного отражения слизистых тканей и позволяет22проводить быстрый скрининг пероральных и цервикальных злокачественныхобразований.В результате компрессии из биоткани выдавливается вода, которая определяет поглощение биоткани в ближней инфракрасной (ИК) области спектра ирассеивающие свойства биоткани как в ближнем ИК, так и в видимом диапазоне спектра, а также кровь, содержащаяся в кровеносных сосудах подвергаемой компрессии биоткани.
В нормальных условиях гемоглобин содержащейся вбиоткани крови является одним из основных хромофоров, и его спектр поглощения завуалирует спектры поглощения других, менее поглощающих хромофоров. Наложение внешней компрессии приводит к вытеснению крови из биоткани, ее поглощение в коротковолновой области видимого диапазона спектрауменьшается, в результате чего появляется возможность по спектрам диффузного отражения или автофлуоресценции оценивать содержание в биоткани другиххромофоров.
Так, авторы работы [8] использовали механическую компрессиюдля определения каротиноидов в коже человека in vivo, а в работах [1, 2, 16] показана возможность определения содержания в коже человека пигмента меланина по спектрам автофлуоресценции кожи в условиях внешней компрессии.1. 3. Роль воды в формировании оптических свойств кожи в условияхвнешней механической компрессииСпектр диффузного отражения биологической ткани формируется в результате двух процессов, сопровождающих распространение света в среде:процессов поглощения и рассеяния. Основными хромофорами, определяющимипоглощение кожной ткани в видимом диапазоне спектра, являются эпидермальный меланин и хромофоры дермальной крови (оксигемоглобин и дезоксигемоглобин), а в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра вода илипиды [1, 2, 36].Рассеяние излучения в биотканях обусловлено пространственным распределением показателя преломления и зависит от особенностей строения био23ткани.
Кожа человека имеет сложное строение и представляет многослойнуюструктуру. Неупорядоченное распределение показателя преломления в кожевызывает многократное рассеяние падающего света и ограничивает проведениеоптической томографии и терапевтическую глубину. Мягкие ткани являютсясложными гетерогенными материалами, состоящими из воды, белков, липидови клеток.
В частности, кожа на 70-80 % состоит из воды (в свободном и связанном состоянии) [37], а остальные составляющие главным образом являютсябелковыми структурами, такими как коллаген. Показатель преломления коллагена составляет примерно 1,55 при 1310 нм, что значительно больше, чем показатель преломления воды (1,32 при 1310 нм) [38-39].
Такая гетерогенная средасодержит множество интерфейсов с несовпадающими показателями преломления, что приводит к множественному рассеянию падающего света в пределахткани, снижая глубину проникновения света. Малая глубина проникновенияявляется одним из главных недостатков, ограничивающих клиническую эффективность многих оптических методик. Глубина оптического проникновения вмутные эпителиальные слои, такие как кожа, как правило, менее 3 мм в видимом спектре и ближней ИК-области [40-41].Роль воды для жизнедеятельности организма человека неоценима.
Всехимические реакции организма протекают в водной среде, которая составляет65 – 70% общей массы тела человека. Такое количество воды в биоткани определяет ее механические и оптические свойства [42]. Молекула H 2 O, имея двеводородные связи акцепторного и донорного характера, может легко соединяться с полярными молекулами твердой матрицы в биоткани, таких как белкии липиды. Благодаря компактности водородной связи между H 2 O и белковойматрицей, вода внутри кожи может делится на две группы: основную (свободную) воду и связанную воду.
Они обладают различными механическими испектральными свойствами. Основная вода может легко транспортироватьсявнутри кожи. Связанная вода очень плотно аффилирована и трудно отделяетсяот твердой матрицы.24Что касается спектральных свойств воды, то в видимой области спектракоэффициент поглощения воды незначителен по сравнению с ближней ИК областью, где проявляются пики поглощения, обусловленные комбинациями иобертонами фундаментальных колебаний, к которым относят симметричноерастяжение (ν1), деформационное (ν2) и асимметричное (ν3) колебания связи ОН. Фундаментальные колебания основной и связанной воды приведены втаблице 1.1, а спектр поглощения воды приведен на рис. 1.5.Таблица 1.1 - Фундаментальные колебания основной воды и связанной водыОсновная водаСвязанная водаν1 (см-1)34503260ν2 (см-1)16401640ν3 (см-1)34503260Нужно отметить, что коэффициенты поглощения воды зависят от температуры [43].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
